全球水資源緊缺的背景下，僅僅是解決水源問(wèn)題是不夠的，必須減少水的丟失。在農(nóng)業(yè)上除了合理灌溉減少水使用量，還可以使用保水技術(shù)減少水分的散失來(lái)達(dá)到此目的，其中使用保水劑是減少水分丟失的方式之一。
1 保水劑的概念
保水劑(Aquasorb或Super Absorbent Polymer,SAP或Water-retaining
agent,WRA)又稱(chēng)土壤保水劑、高吸水劑、保濕劑,它是利用強(qiáng)吸水性樹(shù)脂制成的一種具有超高吸水保水能力的高分子聚合物,含有大量結(jié)構(gòu)特異的強(qiáng)吸水基團(tuán),可吸收自身質(zhì)量的數(shù)百倍至上千倍的純水。
保水劑無(wú)害，反復(fù)釋水、吸水，因此農(nóng)業(yè)上人們把它比喻為"微型水庫(kù)"。同時(shí)，它還能吸收肥料、農(nóng)藥、并緩慢釋放，增加肥效、藥效。高吸水性樹(shù)脂廣泛用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝、建筑材料；在工業(yè)方面可廣泛應(yīng)用于石油化工、電纜、造紙、傳感器、滅火器具、纖維制品、化妝品、食品保鮮、膨脹玩具等。
在醫(yī)療衛(wèi)生方面也可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生巾、嬰兒紙尿布、成人失禁墊片、保健冰帽、冰墊、吸血藥布等領(lǐng)域。但是各領(lǐng)域都有針對(duì)的不同產(chǎn)品，比如工業(yè)跟醫(yī)療的不宜在農(nóng)林方面用。在不同領(lǐng)域使用，我們應(yīng)該綜合考慮其吸水倍率、吸水時(shí)間、釋放水能力，循環(huán)作用周期等。
2 發(fā)展歷程
美國(guó)是研制和開(kāi)發(fā)使用保水劑最早的國(guó)家20世紀(jì)60年代初,美國(guó)農(nóng)業(yè)部為有效的利用本國(guó)的豐產(chǎn)玉米,在其北方實(shí)驗(yàn)室采用玉米淀粉與丙烯腈聚合,在通過(guò)加水分解而率先研制出了保水劑,并由Grain
Processing Co.公司制成商品(SGP)于1974年投放市場(chǎng)。
之后受美國(guó)應(yīng)用效果的鼓舞，世界各國(guó)競(jìng)相研制保水劑，1975年,日本三洋化成公司首,其他公司也相繼開(kāi)始保水劑得研制開(kāi)發(fā)工作。進(jìn)入80年代后,世界各國(guó)的保水劑發(fā)展更快,如美國(guó)的Hercules
Co公司、National Starch Co公司、日本的住友化學(xué)公司、花王石堿公司、觸媒化學(xué)公司等相繼成功的開(kāi)發(fā)出了多種不同類(lèi)型的保水劑。
我國(guó)保水劑的開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)80年代初期,最早研制成功的單位是吉林省石油化工設(shè)計(jì)研究院和河南省化學(xué)研究所。
1984~1985年保水劑的研制進(jìn)入高峰時(shí)期,全國(guó)有中科院化學(xué)所、中科院蘭州化物所、北京化工研究所、重慶天然氣化工研究所、北京化纖研究所、北京聯(lián)合大學(xué)、天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、湖南大學(xué)、上海工商管理學(xué)院、航天工業(yè)部101所等20多個(gè)單位進(jìn)行研制。產(chǎn)品如北京KH841、長(zhǎng)春IAC-13、蘭州晶體、蘭州片狀、廣州H-S-PAN、北京SA、遠(yuǎn)航天部SAP、陜西永泰田等。
其中北京化工研究院、湖北省化學(xué)所等單位和個(gè)人申報(bào)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利多項(xiàng),日本制鐵化學(xué)公司、觸媒化學(xué)公司和韓國(guó)等也先后申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利多項(xiàng)。
3 保水劑類(lèi)型
目前已研制出的保水劑可以根據(jù)其制造原料、存在形態(tài)和親水性等方面分為如下幾種:
(1)從原料上可以分為:淀粉類(lèi)纖維素類(lèi)(羧甲基纖維素型、纖維素型)、聚合物類(lèi)(聚型、聚乙烯醇等)。
(2)從形態(tài)上可分為:粉末狀、薄片狀、纖維狀、液體狀,以粉末狀應(yīng)用為廣。
(3)還可從親水化和不溶化等方面來(lái)分類(lèi)。經(jīng)過(guò)在農(nóng)業(yè)上的試驗(yàn)應(yīng)用,有報(bào)道的保水劑有:創(chuàng)新1號(hào)、LT-1、泰來(lái)水晶、MA-500、TAB、FY-1、HS、SA、DB-1、XJ-1、SWA、PA、SGA、SPAN、SUP、KD-I等。
4 保水劑的特性
4.1
安全環(huán)保,無(wú)無(wú)味,不污染植物,土壤和地下水,果樹(shù)花卉,植樹(shù)造林,無(wú)土栽培,植物保鮮運(yùn)輸,大田作物等。
土壤保水劑和防水土流失劑到最終分解物為二氧化碳,水,氨態(tài)氮和鈉或鉀離子,無(wú)任何殘留。
4.2保墑省水
可有效抑制水分蒸發(fā),防止水土流失,即使在有灌溉的條件下,仍然可省水50%以上。
4.3改善土壤結(jié)構(gòu)
使粘重土壤,漏水肥的沙土和次生鹽堿土壤得以改良.同時(shí)促進(jìn)土壤微生物發(fā)育,提高土壤有機(jī)物的周轉(zhuǎn)利用效率。
4.4使用壽命長(zhǎng)
集多種聚合物之特性,可反復(fù)吸水膨脹和釋放收縮,在生產(chǎn)中使用壽命可達(dá)6年以上,是目前市場(chǎng)上使用壽命最長(zhǎng)的土壤保濕產(chǎn)品。
4.5吸水速度快
一般自然水吸至飽和最長(zhǎng)時(shí)間約為15-40分鐘,最快0.4分鐘。
4.6水肥利用率高
土地保水劑在土壤中形成的"小水庫(kù)"接受施肥,灌溉(或降雨)造成淋溶流失的微量元素減少1/3,保護(hù)環(huán)境;當(dāng)再次干旱時(shí),吸足水的保水劑使周?chē)耐寥辣３殖睗?以供給植物根系水分。即使在沙漠地區(qū)和極端的干旱氣候,在年降雨量達(dá)200mm時(shí),也可種草植樹(shù)。
4.7蓄水不爛根吸足似水的保水劑分子膨脹成為水凝膠晶體,即使緊靠植物根系也不會(huì)爛根。
4.8性能穩(wěn)定即使是極端的干旱,也不會(huì)倒吸植物水分。
5 保水劑的主要功能
5.1
保水：保水劑不溶于水,但能吸收相當(dāng)自身重量成百倍的水.保水劑可有效抑制水分蒸發(fā)。土壤中滲入保水劑后,在很大程度上抑制了水分蒸發(fā),提高了土壤飽和含水量,降低了土壤的飽和導(dǎo)水率,從而減緩了土壤釋放水的速度,減少了土壤水分的滲透和流失,達(dá)到保水的目的。還可以刺激作物根系生長(zhǎng)和發(fā)育，使根的長(zhǎng)度增加、條數(shù)增多，在干旱條件下保持較好長(zhǎng)勢(shì)。
5.2
保肥：因?yàn)楸Ｋ畡┚哂形蘸捅Ｐ钏值淖饔?因此可將溶于水中的化肥,農(nóng)藥等農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固定其中,在一定程度上減少了可溶性養(yǎng)分的淋溶損失,達(dá)到了節(jié)水節(jié)肥,提高水肥利用率的效果。
5.3
保溫：保水劑具有良好的保溫性能。施用保水劑之后,可利用吸收的水分保持部分白天光照產(chǎn)生的熱能調(diào)節(jié)夜間溫度,使得土壤晝夜溫差減小.在砂壤土中混有0.1%～0.2%的保水劑,對(duì)10厘米土層的溫度監(jiān)測(cè)表明,對(duì)土溫升降有緩沖作用,使晝夜溫差減少為11～13.5℃,而沒(méi)有保水劑的土壤為11～19.5℃。
5.4 改善土壤結(jié)構(gòu)：保水劑施入土壤中,隨著吸水膨脹和失水收縮的規(guī)律性變化,可使周?chē)寥烙删o實(shí)變?yōu)槭杷?孔隙增大,從而在一定程度上改善土壤的通透狀況。
6 保水劑的作用機(jī)制
由保水劑的組成和結(jié)構(gòu)看,它們是一類(lèi)具有一定交聯(lián)度的高分子電解質(zhì),在其交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上有大量的羧基、羥基等強(qiáng)的親水性官能團(tuán),這是其吸水的動(dòng)力。同時(shí)、保水劑本身的鉸鏈聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及氫鍵作用又限制了它不能無(wú)限制的吸水。也就是說(shuō),不同的保水劑其吸水能力是不同的。吸水倍率和速率、保水性和穩(wěn)定性、凝膠強(qiáng)度是衡量保水劑吸水和釋水性能的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō),同樣組成的聚合物交聯(lián)度越低,雖吸水倍率和速率相對(duì)越高,但其保水性、穩(wěn)定性、凝膠強(qiáng)度越差;反之亦然。同一保水劑的吸水能力還受溶液中無(wú)機(jī)電解質(zhì)的性質(zhì)和含量的影響。由于一些陽(yáng)離子易與羧基結(jié)合,可使網(wǎng)鏈上負(fù)電荷減少,隨無(wú)機(jī)電解質(zhì)濃度的增大,保水劑吸水能力減少。然而,非電解質(zhì)類(lèi)物質(zhì)如尿素,卻可能使保水劑發(fā)揮保水作用的同時(shí)達(dá)到保肥的目的。
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